Nieuwe staat van zaken bewezen

Voor het eerst observeren natuurkundigen kwantumspinvloeistof in een tweedimensionaal materiaal

De kwantumtoestand van de spinvloeistof komt theoretisch voor in materialen met een honingraatachtige structuur. © Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory
voorlezen

40 jaar gepostuleerd, nu eindelijk bewezen: onderzoekers hebben voor het eerst de materietoestand van de kwantumspinvloeistof in echt materiaal waargenomen. In deze toestand lijken elektronen in quasipartikels te vervallen, de zogenaamde majorana-fermionen. Met rutheniumchloride hebben fysici nu in materiaal gevonden dat bij bepaalde temperaturen tot een dergelijke spinvloeistof is, zoals gerapporteerd in het tijdschrift "Nature Materials".

Volgens gangbare ideeën zijn elektronen elementaire deeltjes en dus ondeelbaar - eigenlijk. Maar op het gebied van de kwantumfysica zijn verschillende regels van toepassing. Ze maken toestanden van materie mogelijk die onmogelijk zouden zijn in de macroscopische wereld. Deze omvatten de kwantumspinvloeistof die ongeveer 40 jaar geleden werd voorspeld door de Amerikaanse natuurkundige Phil Anderson. Deze mysterieuze toestand van materie vindt plaats onder bepaalde omstandigheden in magnetische vaste stoffen.

Quasipartikels van een elektron

Normaal gedragen de elektronen in een dergelijke vaste stof zich als kleine staafmagneten: bij extreem koude temperaturen rangschikken ze zichzelf zodanig dat hun spins allemaal in één richting wijzen. Maar met een spinvloeistof is dit niet het geval: daarin blijven de elektronenspins ongeordend, zelfs als het mogelijk zou zijn om het materiaal tot absolute nul af te koelen.

En er gebeurt iets anders in zo'n spinvloeistof: de elektronen leken in de opgewonden toestand uit elkaar te vallen. "In dit schijnbaar paradoxale fenomeen valt een elektron uiteen in goed gedefinieerde, onafhankelijke quasideeltjes", legt A. Banerjee van het Oak Ridge National Laboratory en zijn collega's uit. Deze zogenaamde Majorana-fermionen werden voor het eerst ontdekt in 2014 in een nanodraad.

Rutheniumchloride in de neutronenstraal

Natuurkundigen hebben lang vermoed dat spinvloeistoffen aanwezig kunnen zijn in materialen waar de atomen een tweedimensionale, honingraatachtige structuur vormen. Daarom hebben Banerjee en zijn collega's nu specifiek in Rutheniumchlorid (RuCl 3 ) gezocht naar deze kwestie. In dit materiaal zijn verschillende honingraatlagen slechts losjes boven elkaar gebonden. tonen

Voor hun experiment analyseerden de onderzoekers de structuur en het elektronische gedrag van rutheniumchloride door middel van neutronenverstrooiing. In dit geval wordt het materiaal blootgesteld aan een neutronenstraal waarvan de reflecties specifieke patronen produceren afhankelijk van de elektronenconfiguratie. "De handtekening van Majorana-fermionen bij inelastische neutronenverstrooiing is misschien wel een van de meest directe manieren om hun bestaan ​​vast te leggen", aldus de onderzoekers.

Indices voor spinvloeistof

En inderdaad, rutheniumchloride produceert een patroon bij sommige temperaturen dat vergelijkbaar is met dat voorspeld voor spinvloeistof, melden de onderzoekers. De waargenomen neutronenverstrooiing duidt daarom op een fractionering van de elektronen in Majorana-fermionen.

Aldus zou de eerste directe detectie van een kwantumspinvloeistof in een tweedimensionaal materiaal zijn geslaagd. "Dit is een nieuwe kwantumtoestand die is voorspeld, maar nog nooit eerder is gezien", zegt co-auteur Johannes Knolle van het Cavendish Laboratory in Cambridge. "Dit markeert een belangrijke stap in ons begrip van de kwantumtoestanden van materie."

Basis voor toekomstige kwantumcomputers

De detectie van spinvloeistof is echter meer dan alleen een vooruitgang in fundamenteel onderzoek. Omdat Majorana-fermionen ook als veelbelovende bouwstenen voor ultrasnelle en robuuste kwantumcomputers worden beschouwd. "Quantum-spinvloeistoffen zijn topologische materietoestanden die opmerkelijke eigenschappen hebben, waaronder het vermogen om kwantuminformatie van ontkleuring te behouden", aldus de onderzoekers. (Nature Materials, 2016; doi: 10.1038 / nmat4604)

(Universiteit van Cambridge, 05.04.2016 - NPO)